Caracterización del material compuesto Raquis-Cemento

Isabel Cristina Chica Castrillón

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

Bogotá D.C.

2015

2

Caracterización del material compuesto Raquis-Cemento

Isabel Cristina Chica Castrillón

Proyecto de grado para optar por el título de

Ingeniera Civil

Asesor

Ingeniero Fernando Ramírez Rodríguez

PhD. University of Colorado

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

Bogotá D.C.

2015

iii

AGRADECIMIENTOS

El presente trabajo fue dirigido por el profesor Fernando Ramírez, a quien agradezco

especialmente por su colaboración incondicional y compartir su conocimiento y experiencia

conmigo para realizar esta investigación.

También a la ingeniera María Catalina Moreno, quien de manera desinteresada

ayudó en la parte experimental de la realización del proyecto. Al equipo de laboratorio de

Ingeniería Civil y Ambiental por la disposición y la calidad del servicio que me brindaron para

poder realizar los ensayos necesarios.

Finalmente, agradezco a mi familia brindarme todos los días su amor y cariño y por

apoyarme en todos los proyectos que he emprendido en mi vida, incluyendo este trabajo

de grado.

iv

CONTENIDO

1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 12

2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ................................................................................. 14

3. OBJETIVOS ................................................................................................................ 14

3.1. Objetivos generales ........................................................................................... 14

3.2. Objetivos específicos ......................................................................................... 14

4. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 16

4.1. Material Compuesto .......................................................................................... 16

4.2. Hempcrete ......................................................................................................... 16

4.3. Palma Aceitera y Raquis de palma...................................................................... 19

4.3.1. Palma aceitera ............................................................................................ 19

4.3.2. Raquis de palma aceitera ............................................................................ 21

4.4. Cemento Hidráulico ........................................................................................... 23

5. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 26

5.1. Caracterización del raquis de palma aceitera ..................................................... 26

5.1.1. Caracterización física de la fibra .................................................................. 26

5.1.2. Caracterización química de la fibra ............................................................. 30

5.2. Caracterización del Raquis-Cemento .................................................................. 32

5.2.1. Caracterización física del compuesto .......................................................... 32

5.2.2. Caracterización mecánica del compuesto ................................................... 32

5.2.3. Caracterización acústica del compuesto...................................................... 44

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................ 49

6.1. Caracterización del raquis de palma aceitera ..................................................... 49

v

6.1.1. Caracterización física de la fibra .................................................................. 49

6.1.2. Caracterización química de la fibra ............................................................. 52

6.2. Caracterización del Raquis-Cemento .................................................................. 56

6.2.1. Caracterización física del compuesto .......................................................... 56

6.2.2. Caracterización mecánica del compuesto ................................................... 58

6.2.3. Caracterización acústica del compuesto...................................................... 66

7. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 71

8. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 73

9. ANEXOS .................................................................................................................... 77

vi

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Bloque de Hempcrete (Crofton, s.f.)............................................................ 17

Ilustración 2. Cultivo de Cáñamo (Bernardo, 2014) .......................................................... 17

Ilustración 3. Fibra de Cáñamo (Arnaud & Gourlay, 2011) ................................................ 18

Ilustración 4. Palma aceitera (El Espectador, 2014) .......................................................... 19

Ilustración 5. Ilustración 3. Crecimiento del área empleada para cultivo de palma africana

en Colombia. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA y el Sistema de

Información estadística del Sector Palmero (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014) .......... 21

Ilustración 6. Racimo de fruta fresca de palma africana y racimo desfrutado o raquis

(Moreno, 2014) ................................................................................................................ 22

Ilustración 7. Proyección de la producción de raquis en Colombia en los próximos 15 años.

Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014)

........................................................................................................................................ 23

Ilustración 8. Raquis de palma después de proceso de molienda ..................................... 26

Ilustración 9. Moldes cilíndricos para fabricación de especímenes de Raquis-Cemento

(Pinzuar L.T.D.A., s.f.) ....................................................................................................... 36

Ilustración 10. Fundición de especímenes de Raquis-Cemento ......................................... 37

Ilustración 11. Máquina Universal Forney ........................................................................ 39

Ilustración 12. Curva esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio (Ramírez Rodríguez,

Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ............................................................................... 40

Ilustración 13. Módulo de elasticidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación,

2012) ............................................................................................................................... 41

Ilustración 14. Límite de fluencia (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)

........................................................................................................................................ 41

Ilustración 15. Ductilidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ....... 42

Ilustración 16. Montaje ensayo tracción indirecta ............................................................ 43

Ilustración 17. Montaje para medición de TL del Raquis-Cemento (Cote, 2014) ............... 45

vii

Ilustración 18. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 35% de cemento

........................................................................................................................................ 59

Ilustración 19. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 45% de cemento

........................................................................................................................................ 60

Ilustración 20. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento ........................ 61

Ilustración 21. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento ........................ 61

Ilustración 22. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento a tensión ......... 65

Ilustración 23. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento a tensión ......... 65

Ilustración 24. Muestras de Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de

cemento) y Drywall .......................................................................................................... 66

Ilustración 25. Montaje experimental para caracterización acústica del Raquis-Cemento 67

Ilustración 26. Espectro de ruido para cada material ........................................................ 69

Ilustración 27. Subproductos generados durante el proceso de producción de aceite de

palma (Moreno, 2014) ..................................................................................................... 77

Ilustración 28. Áreas cultivadas de Palma Aceitera para los años 1997 (arriba) y 2007

(abajo) (Fedepalma , 2014) .............................................................................................. 78

Ilustración 29. Procedimiento para determinación de lignina Parte 1 (ASTM - American

Society of Testing Materials, 2013) .................................................................................. 79

Ilustración 30. Procedimiento para determinación de lignina Parte 2 (ASTM - American

Society of Testing Materials, 2013) .................................................................................. 80

Ilustración 31. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 1

(TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ............................... 81

Ilustración 32. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 2

(TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ............................... 82

Ilustración 33. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 3

(TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ............................... 83

viii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Subproductos sólidos en las plantas de beneficio: características y usos ........... 22

Tabla 2. Composición química del cemento (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto:

Cemento, agua y agregados, 2012) .................................................................................. 24

Tabla 3. Producción de cemento y consumo per cápita en Latinoamérica (Ramírez

Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012) ............................ 24

Tabla 4. Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia del cemento (Guevara

Fallas, y otros, 2011) ........................................................................................................ 34

Tabla 5. Bandas de octava para la caracterización acústica del Raquis-Cemento .............. 46

Tabla 6. Clasificación del material de acuerdo a su STC .................................................... 47

Tabla 7. Resultados densidad aparente fibra .................................................................... 49

Tabla 8. Parámetros tenidos en cuenta para el cálculo de la densidad de la fibra ............. 50

Tabla 9. Cantidades (en kg) de cemento, agua y fibra para determinación de densidad de la

fibra ................................................................................................................................. 50

Tabla 10. Valores de volumen de agua, cemento y fibra obtenidos para la determinación

de la densidad de la fibra ................................................................................................. 50

Tabla 11. Temperatura registrada para ensayo de absorción ........................................... 51

Tabla 12. Resultados de absorción de agua de la fibra ..................................................... 51

Tabla 13. Resultados contenido de lignina del raquis de palma ........................................ 52

Tabla 14. Valores de parámetros para obtener el contenido de alfa-celulosa en el raquis de

palma ............................................................................................................................... 53

Tabla 15. Resultados del contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma ...................... 54

Tabla 16. Valores de parámetros para obtener el contenido de gamma-celulosa en el

raquis de palma ............................................................................................................... 54

Tabla 17.Porcentaje de gamma-celulosa en el raquis de palma ........................................ 55

Tabla 18. Valores de alfa-, beta-, y gamma-celulosa ......................................................... 55

Tabla 19. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 35% de cemento

........................................................................................................................................ 56

ix

Tabla 20. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 45% de cemento

........................................................................................................................................ 57

Tabla 21. Parámetros tenidos en cuenta para la realización del diseño de mezclas del

Raquis-Cemento .............................................................................................................. 58

Tabla 22. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento .......................... 58

Tabla 23. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento .......................... 58

Tabla 24. Cantidades necesarias para fabricar los especímenes de Raquis-Cemento ........ 59

Tabla 25. Resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento........... 62

Tabla 26.Módulo de elasticidad para muestras de Raquis-Cemento ................................. 63

Tabla 27. Resultados máximo esfuerzo a tensión del Raquis-Cemento ............................. 64

Tabla 28. Dimensiones de muestras para ensayo de aislamiento acústico ........................ 66

Tabla 29. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-

Cemento (35% de cemento) ............................................................................................. 67

Tabla 30. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-

Cemento (45% de cemento) ............................................................................................. 68

Tabla 31. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Drywall ....... 68

Tabla 32. Frecuencias Críticas para el Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento

(45% de cemento) y Drywall............................................................................................. 70

Tabla 33. Valores de STC para Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45%

de cemento) y Drywall. .................................................................................................... 70

x

LISTA DE ECUACIONES

Ecuación 1. Densidad aparente ........................................................................................ 27

Ecuación 2. Cálculo volumen de fibra ............................................................................... 28

Ecuación 3. Cálculo densidad de la fibra ........................................................................... 29

Ecuación 4. Cálculo absorción de la fibra .......................................................................... 30

Ecuación 5. Cálculo del contenido de lignina .................................................................... 31

Ecuación 6. Cálculo densidad del Raquis-Cemento ........................................................... 32

Ecuación 7. Cálculo volumen de cemento ........................................................................ 35

Ecuación 8. Calculo peso de cemento............................................................................... 35

Ecuación 9. Cálculo peso de agua ..................................................................................... 35

Ecuación 10. Cálculo peso agua ........................................................................................ 35

Ecuación 11. Cálculo volumen fibra .................................................................................. 35

Ecuación 12. Cálculo peso fibra ........................................................................................ 35

Ecuación 13. Cálculo peso agua fibra ................................................................................ 36

Ecuación 14. Cálculo volumen agua fibra ......................................................................... 36

Ecuación 15. Ecuación esfuerzo........................................................................................ 39

Ecuación 16. Ecuación deformación unitaria .................................................................... 39

Ecuación 17. Cálculo módulo de elasticidad. .................................................................... 41

Ecuación 18. Cálculo máximo esfuerzo a tensión ............................................................. 44

Ecuación 19. Ecuación "Transmission Loss" ...................................................................... 44

Ecuación 20. Ecuacion "Transmission Loss" experimental ................................................ 47

Ecuación 21. Cálculo alfa-celulosa .................................................................................... 53

Ecuación 22. Cálculo gamma-celulosa .............................................................................. 54

Ecuación 23. Cálculo beta-celulosa ................................................................................... 55

11

RESUMEN

Entre los nuevos retos de la ingeniería, no solo se encuentra el innovar con

materiales que cumplan eficientemente el fin para el cual fueron diseñados, también es de

vital importancia que estos se adapten a problemáticas y necesidades de la sociedad, como

lo son la preservación y el mejor manejo de los recursos naturales. Por ello, el presente

proyecto está enfocado en caracterizar un material compuesto titulado Raquis-Cemento;

este está hecho a base de un sub-producto de deshecho llamado raquis de palma aceitera,

cemento hidráulico y agua.

Entre las propiedades que se quieren indagar acerca de Raquis-Cemento se

encuentran sus propiedades físicas y químicas, y su desempeño mecánico y acústico. Lo

anterior, se hace con el fin no solo de evaluar la viabilidad de su uso en nuestro país, sino

que también, para ser comparado con materiales de la misma índole utilizados en otras

partes del mundo como lo es el Hempcrete.

Esta investigación, se estructuró acorde a los procedimientos y metodologías

consignadas en las principales normas de testeo de materiales del mundo y de nuestro país

como la American Society of Testing Materials, la Technical Association of the Pulp and

Paper Industry y la Norma Técnica Colombiana para asegurar que los resultados obtenidos

sean confiables y comparables.

PALABRAS CLAVE

Raquis de palma aceitera, cemento hidráulico, agua, Hempcrete, material

compuesto, propiedades físicas, caracterización química, caracterización mecánica,

caracterización acústica.

12

1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad, el mundo de la ingeniería encuentra grandes retos en el uso de

materias primas y materiales que permitan no solo cumplir eficientemente con

requerimientos funcionales ligados a sus propiedades físicas y mecánicas, sino también ser

sostenibles económica y ambientalmente. Por lo anterior, surge la idea de agregar

partículas de plantas o subproductos orgánicos de desecho para usarlos como agregados

en materiales de construcción. Lo anterior, se puede justificar por dos razones principales:

La búsqueda de la preservación de los recursos naturales, tales como agregados

minerales, cuyas condiciones de extracción cada vez son más complicadas, debido a

que, no son renovables.

La necesidad de diseñar materiales de construcción más eficientes con un menor

impacto ambiental en lo que refiere a la huella de carbono y el uso de recursos

hídricos.

Iniciando los años noventa, en el continente europeo se conceptualizó un material de

construcción hecho principalmente de cemento hidráulico y fibras vegetales de cáñamo

(fracción no fibrosa del tallo de la planta) llamado Hempcrete. Este fue diseñado con el

objetivo de ser usado en elementos no estructurales de edificaciones, ya que en los diversos

estudios que se le practicaron no revelaban propiedades mecánicas altas. Sin embargo, la

utilización de un material en construcción no solo se limita a este tipo de características, el

material compuesto investigado presentaba potencial como material aislante acústico y

térmico. Además, este material es ambientalmente sostenible puesto que permite una

reducción considerable de la huella ecológica al almacenar aproximadamente 35

kilogramos de dióxido de carbono por metro cuadrado de material (Arnaud & Gourlay,

2011).

En Colombia, no se registra uso de este material porque el cáñamo es una planta que

taxonómicamente pertenece a la familia de la marihuana (Cannabis Sativa). Es importante

aclarar que los contenidos de THC (tetrahidrocannabinol) componente psicoactivo de la

13

planta son mínimos, lo que hace que su plantación sea legal de acuerdo a la ley 30 de 1986,

a pesar de ello, el cultivo extensivo del cáñamo simplemente es inexistente. Ya que, no se

cuenta con esta planta, y por ende con su fibra en el territorio nacional, se puede recurrir

al uso de fibras locales para analizar su potencial uso en materiales de esta índole. De esta

manera, revisando el tipo de fibras con las que se cuenta en Colombia, y así mismo, la

abundancia de la planta que la produce, se pensó en la Palma Africana de Aceite o Palma

Aceitera.

Esta planta posee cultivos extensivos a lo largo de la geografía colombiana, y al igual

que el cáñamo, tiene una huella ecológica baja puesto que es capaz de almacenar en un

cultivo de 1,5 millones de hectáreas, 50 millones de toneladas de dióxido de carbono. Este

valor supera en 10 veces la cantidad de dióxido de carbono que puede almacenar un cultivo

corriente anualmente (Conil & Lugo, s.f.) lo cual es una cuantía muy superior, y en

consecuencia, representa mayores beneficios al medio ambiente. La plantación de Palma

Africana tiene como principal fin abastecer a Colombia y otros países de biocombustible;

durante los procesos de cosecha, corte y extracción de aceite, se generan gran cantidad de

residuos sólidos. Por ejemplo, una hectárea del cultivo de palma africana en Colombia

puede producir, aproximadamente, 3,8 toneladas de material fibroso seco de raquis

(Angarita, Díaz, & Lozano , 2009).

Este último, más conocido como raquis de palma, puede ser una solución para la

implementación de un material semejante al Hempcrete en nuestro país. Por ello, en este

proyecto de grado se pretende evaluar su uso en combinación con el cemento para revisar

si este nuevo material, Raquis-Cemento, funciona de manera similar o mejor al Hempcrete

en lo que refiere a sus propiedades física, mecánicas y acústicas.

14

2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

¿Es viable la implementación del raquis de palma africana en un material compuesto en

matriz cementante?

¿Tendrá el material Raquis-Cemento un mejor desempeño en lo que refiere a propiedades

físicas, mecánicas y acústicas al del Hempcrete?

3. OBJETIVOS

3.1. Objetivos generales

Evaluar las propiedades físicas, químicas, mecánicas y acústicas del material

Raquis-cemento.

Comparar los valores obtenidos de las propiedades del Raquis-Cemento con las

propiedades del material Hempcrete.

Evaluar el uso potencial del material Raquis-Cemento como muro y cerramiento

(elementos no estructurales) en edificaciones.

3.2. Objetivos específicos

Encontrar la composición química del Raquis de Palma Africana (Lignina, alpha-

celulosa, beta-celulosa y gamma-celulosa)

Encontrar la dosificación óptima para obtener una adherencia adecuada entre el

Raquis de palma africana y el cemento hidráulico.

Realizar los correspondientes diseños de mezclas para el material Raquis-Cemento

Encontrar las diferentes propiedades mecánicas (máximo esfuerzo a compresión,

máximo esfuerzo a tensión y módulo de elasticidad) del material Raquis-Cemento.

15

Caracterizar el desempeño acústico del material Raquis-Cemento (Transmission Loss

y Sound Tramission Class)

16

4. MARCO TEÓRICO

4.1. Material Compuesto

Los materiales compuestos, son materiales multifásicos que se obtienen a través de la

combinación artificial de diferentes elementos para alcanzar las propiedades que estos

individualmente no podrían tener. Este tipo de materiales se pueden adaptar para diversas

propiedades seleccionando adecuadamente sus componentes, sus distribuciones, sus

morfologías, así como su estructura y composición de la interfaz entre sus componentes

(Chung, 2010).

Debido a su fuerte adaptabilidad, estos pueden ser diseñados para satisfacer las

necesidades tecnológicas relacionadas con la industria aeroespacial, automotriz,

electrónica, de la construcción, energética y biomédica (Chung, 2010). Un ejemplo común

de un material de esta índole es el concreto, el cual es un compuesto estructural hecho a

partir de cemento, agregado fino (arena suelta), agregado grueso (grava), y en algunos

casos, aditivos para mejorar su manejabilidad, plasticidad, etc.

Los materiales compuestos, de acuerdo al material que conforma la matriz (material

que tiene la capacidad de unir o aglutinar) se pueden clasificar principalmente en 5 clases:

de matriz polimérica, de matriz cementante, de matriz metálica, de matriz de carbono y de

matriz cerámica (Chung, 2010). Los materiales compuestos de matriz polimérica y

cementante son los más comunes debido a su bajo costo de fabricación. Los materiales

compuestos de matriz polimérica son típicamente usados para la fabricar estructuras

livianas como sillas e implementos deportivos, mientras los conformados por matriz

cementante son utilizados para viviendas y sistemas constructivos prefabricados,

aislamiento acústico y aislamiento térmico.

4.2. Hempcrete

El Hempcrete (ver Ilustración 1) es un material compuesto fabricado a partir de

cemento hidráulico, agua y fibra de cáñamo. Esta última, fue introducida al mundo de la

17

construcción a principios de los años noventa, en Francia, con el fin de implementarla en el

concreto para que este fuera más liviano (Evrard, Sorption behaviour of Lime-Hemp

Concrete and its relation to indoor comfort and energy demand, 2006).

Ilustración 1. Bloque de Hempcrete (Crofton, s.f.)

Se recurrió a esta fibra, ya que el cultivo de cáñamo presenta un rápido crecimiento y

una rotación anual, lo que la hace un recurso renovable (Mukherjee, 2012). Además, es un

cultivo que es capaz de recolectar más dióxido de carbono (CO2) en su proceso de

crecimiento y recolección, que el generado en la producción del Hempcrete. Del cáñamo se

pueden extraer fibras tanto de su corteza, como de su núcleo, sin embargo, es del núcleo

donde se originan las fibras que son utilizadas para la fabricación del Hempcrete, las cuales

tiene una apariencia y una estructura celular similar a la de la madera (De Bruijn, 2008).

Ilustración 2. Cultivo de Cáñamo (Bernardo, 2014)

18

Esta fibra es combinada con una pequeña cantidad de cemento, con el fin de reducir sus

tiempos de curado. Como resultado, se obtiene una mezcla liviana con unas propiedades

de aislamiento térmico buenas, como es indicado en estudios recientes (Mukherjee, 2012).

Ilustración 3. Fibra de Cáñamo (Arnaud & Gourlay, 2011)

En lo que refiere a densidad, el Hempcrete maneja unos rangos bajos, al estar

siempre oscilando entre valores de 390 kg/m3 y 650 kg/m3 dependiendo de su composición

de fibra, agua y cemento (Arnaud & Gourlay, 2011). Otras propiedades, como la

conductividad térmica del material (se pueden entender como una medida de aislamiento

térmico), se ven afectadas por los valores de densidad, ya que a mayor densidad, el

compuesto es capaz de impedir en mayor magnitud el paso de calor; un ejemplo de esto,

es que unas muestras de Hempcrete de 548 kg/m3 y 245 kg/m3 tienen unas conductividades

térmicas de 0,114 W/(m*K) y 0,071 W/(m*K), respectivamente (Mukherjee, 2012).

Pasando ahora a las propiedades mecánicas del material, debido a sus bajas

resistencias, es utilizado generalmente como material de relleno de marcos estructurales

(madera), o como material de aislamiento de techos, paredes y pisos (Mukherjee, 2012).

Dependiendo de las cantidades de fibra de cáñamo, cemento y agua, los valores típicos de

resistencia última a la compresión se encuentra entre 0,15 MPa y 1,2 MPa. Sin embargo, al

igual que el concreto, este valor está altamente influenciado por las condiciones de curado

y de edad del espécimen, ya que con el pasar del tiempo, se evidencia un incremento en la

resistencia (Arnaud & Gourlay, 2011).

19

Finalmente, a pesar de que el Hempcrete es un material fabricado a base de materia

orgánica, este no se descompone, debido a la presencia de cal (aportada por el cemento)

en la mezcla, además, pasado su ciclo de vida, es mayormente biodegradable (Mukherjee,

2012).

4.3. Palma Aceitera y Raquis de palma

4.3.1. Palma aceitera

La palma aceitera, o africana, es la oleaginosa con mayor comercio en el mundo, ya que se

emplea para producir biodiesel. A partir del aceite que se extrae de la misma, se realizan

alimentos, cosméticos y productos de uso personal, tales como cremas y jabones (Moreno,

2014). Esta planta tropical crece solo en tierras de clima cálido, que no estén a una altura

mayor a los 500 metros sobre el nivel del mar. Es originaria de las costas occidentales

africanas, más específicamente de Guinea, y su llegada a América se debe a que, los

portugueses usaban la planta y sus derivados en la dieta de los esclavos africanos que se

traían a Brasil (Cámara de Comercio de Cartagena, 2010).

Ilustración 4. Palma aceitera (El Espectador, 2014)

En el pasado, las poblaciones locales africanas utilizaban esta planta para diversos

usos, entre ellos la fabricación de productos alimenticios y medicinales, utilizando para ello

20

no solo sus frutos, sino también, sus fibras y savia. Sin embargo, en la actualidad su principal

uso es para la extracción del aceite de palma y palmiste y por ello, el gran número de

cultivos a gran escala alrededor del mundo (Movimiento Mundial por los Bosques

Tropicales, 2011). La palma aceitera es un cultivo que puede empezar a rendir frutos entre

los dos y tres años (mediante el uso de variedades seleccionadas y clonadas), y pueden

tener una vida productiva de 50 años, pero cabe anotar que la planta alcanza su mayor

producción entre los 20 y los 30 años (Movimiento Mundial por los Bosques Tropicales,

2011).

A pesar de que la palma aceitera proviene del continente africano y además, tiene

una área geográfica de reproducción tan limitada (entre las latitudes 20 ° norte y 20 ° sur y

hasta 500 metros sobre el nivel del mar), no ha sido impedimento para que los cultivos

estén a lo largo de todo el mundo, incluyendo el sudeste asiático, África, Latinoamérica, y

especialmente nuestro país, Colombia; donde fue introducida por el director del Jardín

Botánico de Bruselas, Florentino Claes, en 1932 (Moreno, 2014). En los años 1945 y 1949,

tanto el Gobierno Nacional, como la United Fruit Company realizaron plantaciones

pequeñas de palma de aceite; pero fue hasta el año 1957, que el Gobierno propició la

creación de plantaciones piloto, con la participación financiera del Estado e inversionistas

particulares.

El Gobierno encomendó el fomento e investigación de este cultivo al Instituto de

Fomento Algodonero (I.F.A.) quien en 1960, inició las primeras plantaciones comerciales. A

finales de 1961 se habían plantado 3400 hectáreas y desde entonces ha mostrado

incrementos permanentes en el área sembrada (Gómez Cuervo, y otros, 1990) . Este

comportamiento se puede evidenciar en la Ilustración 28 (ver página 77), donde muestra la

distribución espacial de los cultivos de palma aceitera para los años 1997 y 2007.

A causa de los diferentes usos que tiene la palma aceitera y sus subproductos, en las

últimas décadas, el mercado de aceite ha sido uno de los más dinámicos; esto se justifica

por tres razones principales: un cambio en las costumbres alimenticias de las ciudades, el

21

crecimiento de la población mundial y el mayor crecimiento económico chino e indio

(Cámara de Comercio de Cartagena, 2010).

Ilustración 5. Ilustración 3. Crecimiento del área empleada para cultivo de palma africana en Colombia. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA y el Sistema de Información estadística del Sector Palmero (Fedepalma ,

2014) y (Moreno, 2014)

Por ello, el gobierno ha continuado con la generación de incentivos para las inversiones

en este mercado y ha destinado recursos a la investigación sobre esta planta, y su

mejoramiento genético, para aplicar este conocimiento en otras problemáticas nacionales,

como el remplazo de los cultivos ilícitos por cultivos de palma africana (Moreno, 2014). Lo

anterior, se corrobora en la Ilustración 5, donde se evidencia, claramente, un incremento

en área de las plantaciones de esta especie, y así mismo, nos permite inferir que en la

actualidad, la economía de la palma es fuerte y ocupa un gran porcentaje de participación

dentro de la economía colombiana.

4.3.2. Raquis de palma aceitera

El raquis de palma aceitera, también conocida como tusa de palma, es uno de los

subproductos generados durante el proceso de producción del aceite. Este residuo está

conformado por una porción de racimo fresco (entre el 17,7% y el 26,1%), otra que

corresponde al fruto (entre el 62% y el 72%) y lo restante, representa la humedad del racimo

(alrededor del 10%) (Agroindustria de la Palma de Aceite, s.f.).

22

Ilustración 6. Racimo de fruta fresca de palma africana y racimo desfrutado o raquis (Moreno, 2014)

A pesar de que en este proceso se generan residuos adicionales (todos los residuos

generados de la palma africana se encuentran en la Ilustración 27 , sección Anexos), como

las fibras provenientes del mesocarpio del fruto y la cascarilla de la nuez; solamente el

raquis, y los lodos generados (como efluentes y las cenizas) son los productos que no

ingresan en su totalidad al proceso de producción para complementarlo y por ello, a este

material sobrante no le queda más función que ser desechado. En la Tabla 1 se muestran

algunas propiedades de estos subproductos sólidos, así como sus principales usos cuando

son recolectados en las plantaciones de palma.

Tabla 1. Subproductos sólidos en las plantas de beneficio: características y usos

En la actualidad, se le ha intentado dar otros usos al raquis de palma africana, como

materia prima para abonos, rellenos y compostajes. Sin embargo, dada la información

expuesta en el inciso anterior (Palma aceitera), es evidente que la producción de palma, así

N P K

Tusa

o Raquis23 a 65 22 0,80 0,20 2,90

Abono orgánico en

las plantaciones

Fibra 12 a 42 13 1,40 2,80 9,00Combustible en

las calderas y abono

Cáscara

o cuesco7 a 15 6 0,60 3,30 12,70

Combustible y material

para adecuacion de vias

internas

SubproductoHumedad

(%)

Peso equivalente

al fruto

procesado (%)

Composición Química

(ppm) Uso principal

23

como las cantidades de subproductos de desecho seguirán creciendo cada día más.

Adicionalmente, si tiene en cuenta la tasa a la cual han crecido los cultivos de palma en el

país y el rendimiento promedio de producción de fruto por hectárea (entre 1994 y 2014 fue

de 16,95 toneladas por hectárea), se puede estimar la producción futura de raquis teniendo

en cuenta las proporciones entre fruto y tusa vacía, presentadas en la Ilustración 27

(Moreno, 2014).

Ilustración 7. Proyección de la producción de raquis en Colombia en los próximos 15 años. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014)

A partir de la proyección de raquis de palma para los próximos 15 años, se calcula

que se producirán más de 100 millones de toneladas, que deberán ser desechados al no

tener aplicación en otras áreas.

4.4. Cemento Hidráulico

El cemento es un material artificial aglomerante, fabricado a partir de una mezcla de

arcilla y materiales calcáreos, capaz de unir sustancias disgregadas en presencia de agua

(activa las propiedades aglutinantes del cemento) y, posteriormente, se endurece para

transformarse en una masa consistente y compacta (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014).

Su proceso de fabricación inicia con la explotación en cantera de caliza y arcilla. Una

vez recolectadas, estas se someten a un proceso de trituración hasta alcanzar tamaños

entre 25 y 30 milímetros de diámetro, para ser mezcladas y homogeneizadas. Luego, a esta

mezcla se le realiza un tratamiento térmico en horno giratorio a una temperatura entre

1400 y 1500 grados centígrados, donde a su vez, se le agrega sílice y alúmina para forman

24

una sustancia llamada Clinker (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y

agregados, 2012). Finalmente, después de que el Clinker se ha enfriado, se tritura y,

paralelamente, se le adiciona yeso y puzolana, lo que da como resultado final el cemento

(Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). En la Tabla 2 se observa la composición química del

cemento.

Tabla 2. Composición química del cemento (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012)

Tanto la fabricación de cemento, como su industria, son de gran importancia a nivel

mundial, ya que este componente es fundamental para la fabricación de concreto, el cual

es el segundo material más utilizado en el planeta (aproximadamente 3 toneladas anuales

por persona a nivel mundial) solo superado por el agua, que a su vez es utilizado para la

fabricación de este componente (Figueroa & Díaz, 2009).

Tabla 3. Producción de cemento y consumo per cápita en Latinoamérica (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012)

25

El papel del cemento tiene un rol significativo, debido a que, es una materia prima

fundamental para el desarrollo de infraestructura, y por ende, indispensable para el

crecimiento y desarrollo de un país. A pesar de que, la industria del cemento es dinámica y

está sujeta a las tendencias de globalización, preservación del medio ambiente y

disminución de la dependencia de combustibles fósiles y materias primas de origen natural;

es una de las industrias más contaminantes a nivel mundial. Lo anterior, ya que su

producción, además de requerir materiales de origen mineral, que no son renovables,

requiere cantidades de energía importantes (110 kilowatt-hora por tonelada de cemento)

y, adicionalmente, genera grandes cantidades de emisiones la atmósfera (entre 500 y 1000

kilogramos de CO2 por tonelada de cemento) que representan aproximadamente el 5% de

la producción de CO2 a nivel mundial (Figueroa & Díaz, 2009).

No obstante, el cemento sigue y seguirá siendo utilizado por la industria de la

construcción, a pesar de las altas cifras de contaminación. Por ello, se hace necesario

investigar acerca de nuevas alternativas de bajo costo, que cumplan o superen las

especificaciones actuales que tiene el cemento y con ello, disminuir o eliminar el consumo

este insumo.

26

5. METODOLOGÍA

5.1. Caracterización del raquis de palma aceitera

En esta sección, se presentarán las metodologías y procedimientos utilizados para

encontrar algunas propiedades físicas y químicas del raquis de palma aceitera. Esto, con el

fin de saber a detalle si las propiedades encontradas afectarán de manera significativa la

realización del diseño de mezclas y la fabricación de los especímenes de Raquis-Cemento.

5.1.1. Caracterización física de la fibra

5.1.1.1. Densidad aparente

La densidad aparente se define como la relación entre el peso y el volumen de una

sustancia incluyendo los vacíos o poros que esta pueda tener (Construmática, s.f.). Aunque

este concepto es más utilizado en otros ámbitos de la ingeniería, las fibras deben venir

procesadas dependiendo del tipo de uso que se les vaya a dar (en forma de tejido, prensado,

en pedazos pequeños etc.), por ello sus arreglos son variables y como consecuencia su

densidad.

Para medir esta propiedad física, se debe tener en cuenta que esta va a ser utilizada

para su posterior mezcla con cemento, por lo cual debe tener un tamaño pequeño (en un

rango de 5 a 10 mm) que le dé manejabilidad suficiente para su mezclado y colocación. En

la Ilustración 8 se muestra la apariencia de la fibra después de su proceso de molienda.

Ilustración 8. Raquis de palma después de proceso de molienda

27

Para poder medir la densidad aparente de la fibra, es necesario tener un recipiente

de dimensiones, volumen y peso conocido. Para este caso, se utilizó un recipiente cilíndrico

con un diámetro de 10 centímetros y una altura de 10 centímetros. Ahora, se coloca la fibra

en el recipiente de tal manera que no sea compactada durante el proceso, con el fin de que

tenga el mismo arreglo y los mismos vacíos que presenta de forma natural, para así, poder

registrar su peso en una balanza.

Una vez conocido el peso del recipiente más el peso de la fibra, se procede a calcular

la densidad aparente de la fibra a partir de la siguiente expresión:

𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔

𝑚3) =

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒+𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒(𝑘𝑔)

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑚3)

Ecuación 1. Densidad aparente

Aunque la densidad aparente no es una propiedad intrínseca del material, ya que

esta varía de acuerdo a su compactación, medir este parámetro nos da una idea de cómo

las partículas están distribuidas en un espacio de manera natural.

5.1.1.2. Densidad real de la fibra

Se entiende por densidad real la relación entre el peso y el volumen de una sustancia

sin incluir los vacíos o poros que esta pueda tener (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). A

diferencia de la densidad aparente, esta propiedad es fundamental del material y, a su vez,

es más difícil de medir ya que, además de tener que eliminar el volumen de los vacíos que

se presentan entre las fibras, se debe eliminar el volumen correspondiente a los poros que

presenta el material en su estructura interna. Para este proyecto, es necesario conocer con

precisión la densidad real del material, debido a que, posteriormente, este valor nos

ayudará a calcular de manera correcta el diseño de mezclas para la preparación del material

Raquis-Cemento.

Ya que, para el cálculo de esta propiedad no se tenían los montajes exigidos por la

norma ASTM D3800M-11 (Standard Test Method for Density of High-Modulus Fibers), para

28

medición de densidades en fibras, se recurrió a otro método no estandarizado para obtener

este valor.

Dado que la fibra dentro del material Raquis-Cemento estará embebida en una matriz

cementante, se quiso recrear estas condiciones para hallar el valor de la densidad. Para

realizar esto, de manera aleatoria se definió una cantidad de agua y de cemento, con peso

y volumen conocidos; asimismo, se escogió una formaleta para fundición de especímenes

de concreto, con dimensiones, peso y volumen conocidos. Teniendo ya estos materiales, se

realizó el siguiente procedimiento:

Mezclado: Aquí, se mezcló el cemento y el agua hasta obtener una mezcla

consistente de mortero (pasta de cemento). Posteriormente, se añadió la fibra

a la mezcla.

Colocación: Con la mezcla lista, se colocó toda esta en una formaleta para

fundición de especímenes de concreto, con unas dimensiones de 10 centímetros

de diámetro y 20 centímetros de altura.

Desencofrado: El espécimen de fibra y cemento se retiró de la formaleta 24

horas después de su fundición.

Curado: El espécimen no tuvo un proceso de curado especifico, únicamente, se

dejó al aire durante un periodo de una semana con el fin de obtener una muestra

totalmente seca. Esto, ya que el agregar agua u otra sustancia al espécimen

podía afectar de manera directa su peso final.

Con el espécimen fabricado, se procede a reportar su volumen, y como se tienen

todos los valores de volumen de los materiales, excepto el volumen de la fibra, se procede

a calcular este a partir de la siguiente ecuación:

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑚3) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3)

Ecuación 2. Cálculo volumen de fibra

Ya con el valor del volumen ocupado por la fibra, se puede calcular la densidad de

esta a partir de la siguiente expresión:

29

𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔

𝑚3) =

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔)

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3)

Ecuación 3. Cálculo densidad de la fibra

Con este dato disponible, más adelante será posible calcular de manera precisa el

diseño de mezclas para la fabricación del Raquis-Cemento.

5.1.1.3. Absorción de la fibra

A pesar de no ser una propiedad fundamental de la materia, para este proyecto, es de

vital importancia el cálculo de ella, puesto que las fibras, naturalmente, son materiales

hidrofílicos (afines con el agua) y al combinarlas con el cemento, que también presenta esta

característica, se corre el peligro de que la mezcla no tenga el suficiente contenido de agua

que permita, no solo la adherencia entre las dos sustancias, sino también la manejabilidad

necesaria para fundir los especímenes de Raquis-Cemento.

Para determinar esta propiedad, se recurrió al uso de la norma ASTM C209-07a

(Standard Test Method for Cellulosic Fiber Insulating Board) que señala como calcular

algunas propiedades físicas de materiales hechos a base de fibras vegetales, entre estas la

absorción de agua.

Se sigue la misma metodología indicada en la norma, sin embargo, no se cumple con el

tamaño de espécimen exigida (12 pulgadas por 12 pulgadas) ya que la fibra viene de forma

suelta, por ello se pesaron 5 gramos de fibra, lo que conformará una muestra. Una vez

pesada esta, se coloca en un colador y se sumerge cuidadosamente a una pulgada de

profundidad en agua a una temperatura constante de 23°C durante 2 horas. Pasado este

tiempo, se procede a retirar el colador del agua, se deja escurrir durante 10 minutos y,

finalmente, se seca el exceso de agua superficial (ASTM - American Society of Testing

Materials, 2007). Hecho esto, se pesa inmediatamente el espécimen y se reporta el valor

obtenido.

Se calcula la absorción de agua por parte de la fibra como:

30

𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (%) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎+𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎+𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟(𝑘𝑔)

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎(𝑘𝑔)∗ 100%

Ecuación 4. Cálculo absorción de la fibra

Con la determinación de este parámetro, se logrará realizar un mejor cálculo sobre la

cantidad de agua necesaria para la elaboración de las muestras de Raquis-Cemento, lo que

traerá como resultado un mejor diseño de mezclas.

5.1.2. Caracterización química de la fibra

5.1.2.1. Contenido de Lignina

La lignina es un componente presente en la pared celular de las células vegetales y su

función principal es ayudar en el movimiento interno de agua, debido a que, forma una

barrera contra la evaporación (Pedraza Rodríguez, 2011). Además, es la clave en la rigidez

propia de cada especie de planta, que es lo que aporta capacidad estructural a la fibra para

poder resistir aplicaciones de carga.

Para determinar el porcentaje de lignina presente en el raquis de palma, se hizo uso de

los procedimientos consignados en las normas ASTM D1106-96 (Stantard Test Method for

Acid-Insoluble Lignin in Wood) y ASTM D1107-96 (Standard Test Method for Ethanol-

Toluene Solubility of Wood).

Este proceso, consiste fundamentalmente en tratar la fibra con ácidos fuertes (solución

de H2SO4 al 72%) para hidrolizar los carbohidratos que esta tenga, y la parte que no

reacciona se considera como lignina (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013).

Este residuo insoluble además de contener lignina, contiene grasas, resinas y ceras; por ello,

la norma ASTM D1107-96 (que hace parte del procedimiento de la norma ASTM D1106-96)

utiliza una solución de Etanol-Tolueno para remover estos componentes. El procedimiento

detallado de las dos normas se encuentra en la Ilustración 29 y la Ilustración 30 de la sección

de Anexos (ver página 77).

31

Ya que, para cada paso es necesario reportar los valores de pesos de cada componente,

la manera general de calcular el porcentaje de lignina está dada por:

𝐶𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎 (%) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎𝑠+𝑔𝑟𝑎𝑠𝑎𝑠+𝑐𝑒𝑟𝑎𝑠(𝑘𝑔)

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎∗ 100%

Ecuación 5. Cálculo del contenido de lignina

5.1.2.2. Contenido de Celulosa y Hemicelulosa

La celulosa es una macromolécula natural, formada por una cadena lineal de moléculas

de glucosa. Es el principal componente estructural de la pared celular de las plantas

superiores y de varias especies de algas. Consta de diversos estratos, de consistencia casi

siempre rígida, que como consecuencia, confieren al vegetal su soporte (Gran Enciclopedia

Hispánica , 2014).

Por otro lado, la hemicelulosa es un heteropolisacárido que forma parte de la pared

celular de los tejidos vegetales. Aunque tiene menos resistencia mecánica que la celulosa,

estos dos componentes aparecen asociados a ésta propiedad (Gran Enciclopedia Hipánica,

2014).

Para encontrar en qué proporción se encuentra la celulosa y hemicelulosa en el raquis

de palma, se hizo uso de la norma TAPPI T203-93 (Alpha-, beta- and gamma- cellulose in

pulp), que pretende determinar los contenidos de alfa-, beta- y gamma- celulosa. Estos 3

componentes indican la celulosa no degradada de mayor peso molecular de la fibra, la

celulosa degradada y la hemicelulosa, respectivamente (TAPPI -Technical Association of the

Pulp and Paper Industry, 1993).

Con el fin de realizar este ensayo de manera correcta, es necesario que previamente el

raquis de palma a utilizarse se encuentre deslignificado (sin lignina). Una vez con esto, se

procede a extraer la fibra con 17,5% y 9,45% de soluciones de hidróxido de sodio a 25°C. La

fracción soluble de la mezcla, consiste en beta- y gamma-celulosa (esta última es

determinada volumétricamente por oxidación con dicromato de potasio), y la fracción

32

insoluble es alfa-celulosa. El procedimiento detallado de esta norma se encuentra en la de

la sección de Anexos (ver página 77).

5.2. Caracterización del Raquis-Cemento

En esta sección, se presentarán las metodologías y procedimientos utilizados para

encontrar algunas propiedades físicas, mecánicas y acústicas del material Raquis-Cemento.

Esto, para determinar la viabilidad de la utilización de este compuesto como materia prima

para partes no estructurales de edificaciones y poderlo comparar cuantitativamente con las

propiedades del Hempcrete.

5.2.1. Caracterización física del compuesto

5.2.1.1. Densidad del compuesto

Se define densidad como el “cociente entre la masa de un cuerpo y su volumen” (Gran

Enciclopedia Hispánica, 2014). Para la medición de esta propiedad del Raquis-Cemento, no

se siguió ningún procedimiento estándar, únicamente, partiendo de la definición de

densidad, se procedió a reportar el peso y el volumen de Raquis-Cemento. Ya con estos

valores, se calcula la densidad como:

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔

𝑚3) =

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔)

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚3)

Ecuación 6. Cálculo densidad del Raquis-Cemento

5.2.2. Caracterización mecánica del compuesto

5.2.2.1. Diseño de mezclas

El diseño de mezclas es “el proceso de selección de ingredientes y sus cantidades para

producir el concreto más económico que satisfaga los requisitos de manejabilidad,

resistencia y durabilidad” (Ramírez Rodríguez, Diseño de Mezclas, 2012). En la actualidad,

ya existen métodos estandarizados para la realización de mezclas de concreto (ACI 211.1:

33

Método de diseño para concretos hidráulicos normales); sin embargo, debido a que el

cemento en esta ocasión no se mezclará con agregados gruesos (piedra o grava) y finos

(arenas sueltas), sino con una fibra vegetal, se hace necesario hacer el diseño de mezclas

de manera diferente, con la finalidad obtener una mezcla adaptada a los nuevos

requerimientos impuestos por el uso de raquis de palma aceitera.

Ahora, el procedimiento utilizado para la realización del diseño de mezclas del Raquis-

Cemento fue el siguiente:

Definición de contenido de cemento:

Con el propósito de definir la cantidad de cemento necesaria en la mezcla, se

hicieron pruebas previas de adherencia para encontrar la mínima cantidad de cemento

que hiciera que este y el raquis de palma tuvieran una unión correcta. Además, se

hicieron revisiones literarias acerca de materiales con características parecidas, como el

Hempcrete, para conocer datos típicos acerca de cantidad de cemento utilizada para su

fabricación.

Los valores típicos encontrados para el Hempcrete oscilan entre el 20% y 30% de

cemento (porcentaje sobre el volumen total del espécimen) (Arnaud & Gourlay, 2011),

pero al utilizar estas cantidades de cemento en conjunto con el raquis de palma, no

hubo adherencia entre los dos compuestos.

Posterior a esto, se intentó incrementar el porcentaje de cemento a fin de

corroborar que hubiera unión entre este y el raquis de palma, y también, revisar la

viabilidad del proyecto, ya que una cantidad elevada de cemento incrementaría de

forma significativa los costos. Finalmente, se obtuvo que la cantidad de cemento

necesaria para que este se uniera con el raquis de palma fue del 35%.

Este valor, junto con 45%, son los porcentajes de cemento que se utilizarán en este

proyecto para la realización de los diseños de mezclas.

Relación agua-cemento (A/C)

34

La relación agua-cemento se define como la relación entre el peso del agua y el peso del

cemento utilizada en una mezcla (Guevara Fallas, y otros, 2011). En esta relación, el agua

tiene una gran importancia, ya que, ella y su relación con el cemento, están altamente

ligados a una gran cantidad de propiedades del material final que se obtendrá, en donde,

usualmente, conforme más agua se adicione, aumenta la fluidez de la mezcla y, por lo tanto,

su manejabilidad, lo cual presenta grandes beneficios para la fabricación del compuesto. No

obstante, también comienza a disminuir la resistencia, debido a un mayor volumen de

espacios creados por el agua. Así, se puede afirmar que la resistencia del cemento, y para

el caso de este proyecto, el Raquis-Cemento, depende altamente de la relación por peso

entre el agua y el cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011).

En la Tabla 4 se muestra la dependencia entre la relación agua-cemento y la resistencia

del cemento:

Tabla 4. Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia del cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011)

Dado que el cemento no será mezclado con agregados (lo que le permitiría obtener una

resistencia mayor) sino con fibras vegetales, se quiere que este alcance la mayor resistencia

posible, por lo que para este proyecto, la relación agua-cemento que se utilizará para los

diseños de mezclas será de 0,3.

Calculo de cantidades:

Para realizar el diseño de mezclas y obtener las cantidades de cemento, agua y raquis

de palma a utilizar, debemos tener como valores iniciales: las densidades de los tres

A/C f'c (MPa)

0,36 0,0041

0,40 0,0036

0,45 0,0033

0,50 0,0029

0,55 0,0027

0,60 0,0022

0,65 0,0021

0,70 0,0018

0,75 0,0016

0,80 0,0013

35

compuestos, la absorción de agua de la fibra, el porcentaje de cemento, la relación agua

cemento, y el tamaño de la formaleta donde se fundirán los especímenes.

Para calcular la cantidad de cemento a utilizar, tanto en volumen, como en peso se

utilizan las siguientes expresiones:

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) = % 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛) ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎

Ecuación 7. Cálculo volumen de cemento

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑘𝑔) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) ∗ 𝜌𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔

𝑚3)

Ecuación 8. Calculo peso de cemento

Teniendo ya el valor de cemento, es posible calcular la cantidad de agua necesaria a

partir de la Ecuación 9 y la Ecuación 10.

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑘𝑔) = 𝐴/𝐶 ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑘𝑔)

Ecuación 9. Cálculo peso de agua

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑘𝑔)

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑘𝑔𝑚3)

Ecuación 10. Cálculo peso agua

Ahora, se cuantificará la fibra necesaria para la realización de la mezcla:

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3)

Ecuación 11. Cálculo volumen fibra

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) ∗ 𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎

Ecuación 12. Cálculo peso fibra

Por último, al ser la fibra hidrofílica, tiene la capacidad de absorber cierta cantidad

de agua. Este requerimiento adicional de agua se calcula de la siguiente manera:

36

𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔) = % 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜) ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎

Ecuación 13. Cálculo peso agua fibra

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔)

𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔𝑚3)

Ecuación 14. Cálculo volumen agua fibra

Realizados estos cálculos, es posible obtener el diseño de mezclas y, así mismo,

determinar de manera precisa las cantidades necesarias para preparar el Raquis-Cemento.

5.2.2.2. Fundición y curado de especímenes de Raquis-Cemento

Una vez fabricada la mezcla, se procedió a fundir los especímenes de Raquis-Cemento.

Estos fueron fabricados con base a la norma NTC-550 que explica el procedimiento para la

elaboración y curado de especímenes cilíndricos de concreto.

Las formaletas utilizadas en este procedimiento son moldes cilíndricos de 10

centímetros de diámetro y 20 centímetros de alto como los mostrados en la Ilustración 9.

Ilustración 9. Moldes cilíndricos para fabricación de especímenes de Raquis-Cemento (Pinzuar L.T.D.A., s.f.)

Antes de vaciar el Raquis-Cemento en ellos, es necesario que estos estén totalmente

engrasados para que en el proceso de desencofrado no se tengan inconvenientes y que los

cilindros queden fabricados de manera correcta. Ya que, durante la fundición no se

37

reportarán valores de asentamiento y contenido de aire de la mezcla, no es necesario contar

con aparatos como el cono de Abrams, ni tampoco con medidores de contenido de aire.

Para fabricar el compuesto, primero se mezcla el raquis de palma con su respectiva agua

de absorción y se deja saturando por un periodo de 20 minutos. Paralelamente, se mezcla

el cemento con agua (determinada con base a la relación agua-cemento) hasta formar el

mortero. Una vez pasado los 20 minutos, se combina la pasta de cemento y el raquis de

palma hasta tener una mezcla homogénea.

Con todo el montaje listo, se selecciona una herramienta de la forma y tamaño

suficiente para vaciar el contenido dentro de los cilindros y se coloca la mezcla en el molde,

garantizando la completa distribución del Raquis-Cemento en el cilindro. El especimen debe

ser fundido en tres capas y entre cada una de ellas, con una varilla compactadora, propiciar

25 golpes con el fin de compactar la muestra (NTC - Norma Técnica Colombiana, 2000).

Adicionalmente, para la fabricación del Raquis-Cemento, entre cada capa se deben

propiciar 10 golpes con un pistón, con el fin de eliminar el exceso de agua proveniente de

la fibra. Al colocar la capa final, se debe agregar la cantidad de Raquis-Cemento necesaria

para llenar todo el molde. Fundido el especimen, se debe esperar un periodo de 24 horas

para poder desencofrar los cilindros.

Ilustración 10. Fundición de especímenes de Raquis-Cemento

Debido a que, en la preparación del Raquis-Cemento se agregó una cantidad adicional

de agua para que las fibras no absorbieran el agua que el cemento requiere para activarse,

los especímenes, una vez desencofrados, no pasarán por ningún proceso de curado. Estos,

simplemente se dejaron secar al aire durante 28 y 42 días, con el fin de que el agua presente

38

en las fibras saliera de ellas y no afectara su capacidad estructural a la hora de realizar los

ensayos de tensión y compresión.

5.2.2.3. Ensayo a compresión

El ensayo a compresión es un método que consiste en aplicar carga axial a un espécimen

hasta llevarlo a la falla, con el fin de caracterizar su comportamiento y obtener su máxima

resistencia a compresión. Para la realización de este ensayo, se hizo uso del procedimiento

descrito en la norma ASTM C39/C39M-14 (Standard Test Method for Compressive Strength

of Cylindrical Concrete Specimens).

Inicialmente, es necesario tener fabricados los cilindros de Raquis-Cemento con el

tiempo de secado estipulado en la sección 5.2.2.2. de este documento (ver página 36).

Adicional a esto, es necesario tener a disponibilidad una máquina que permita aplicar carga

a los especímenes; para este caso se tenía una maquina universal Forney. Esta, además de

tener una capacidad de 180 toneladas en ensayos estáticos, posee un sistema de

adquisición de datos para tomar lecturas en tiempo real del ensayo, con el fin de obtener

la información del comportamiento de la muestra a lo largo del ensayo (Laboratorio

Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental - Universidad de los Andes, s.f.).

39

Ilustración 11. Máquina Universal Forney

Con todo el montaje listo, solo queda verificar que la máquina esté funcionando de

manera correcta, que sus sensores se encuentren en cero y colocar el espécimen de Raquis-

Cemento en la máquina para que esta pueda aplicarle carga (ASTM - American Society of

Testing Materials, 2014). Ya que, los datos que se van a obtener de la maquina están en

unidades de fuerza (newton) y desplazamiento (m), y estos, no son una propiedad

fundamental que nos permita analizar sus datos y compararlos con otros materiales, es

necesario convertirlos a valores de esfuerzo (Pa) y deformación unitaria (adimensional), a

partir de las siguientes expresiones:

𝜎 (𝑃𝑎) =𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛)

𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 (𝑚2)

Ecuación 15. Ecuación esfuerzo

𝜀 =∆ 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛 (𝑚)

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛 (𝑚)

Ecuación 16. Ecuación deformación unitaria

Con los valores en unidades estándar, es posible construir la gráfica esfuerzo vs.

deformación de material, para así, poder caracterizar su comportamiento de manera

40

detallada. A continuación, se muestra una curva típica de esfuerzo vs. Deformación unitaria

del vidrio.

Ilustración 12. Curva esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)

Ya con esta curva, es posible calcular no solo la resistencia ultima de un material,

sino también valores como el módulo de elasticidad, el límite de fluencia y su ductilidad. En

seguida, se muestran las definiciones de cada término, así como su manera de calcularlas.

Resistencia última

Es el máximo esfuerzo alcanzado por el material durante el ensayo de compresión,

sus unidades se encuentran en Pa (N/m2)

Módulo de elasticidad

Es equivalente a la constante de proporcionalidad de la Ley de Hooke.

Gráficamente, es la pendiente de la porción inicial lineal de la curva esfuerzo-deformación

obtenida a partir de un ensayo compresión (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-

Deformación, 2012).

41

Ilustración 13. Módulo de elasticidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)

La ecuación que permite calcular este valor es:

𝐸(𝑃𝑎) =𝜎 (𝑃𝑎)

𝜀

Ecuación 17. Cálculo módulo de elasticidad.

Límite de fluencia

“Esfuerzo correspondiente al punto de intersección de una línea paralela a la porción

inicial lineal de la curva y la curva esfuerzo-deformación” (Ramírez Rodríguez, Curvas

Esfuerzo-Deformación, 2012). Esta línea paralela pasa por el punto donde a una

deformación unitaria del 0.2%.

Ilustración 14. Límite de fluencia (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)

42

DuctilIdad

Deformación unitaria que presenta el material cuando falla (Ramírez Rodríguez, Curvas

Esfuerzo-Deformación, 2012)

Ilustración 15. Ductilidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)

Teniendo estos valores para el Raquis-Cemento, no solo es posible caracterizar el

comportamiento mecánico de este, también es posible comparar sus características con las

de otros materiales de la misma índole, como el Hempcrete.

5.2.2.4. Ensayo a tensión

El ensayo de tensión es un método que consiste en determinar la resistencia a la

tracción de probetas cilíndricas de concreto. Para obtener este valor, se hizo uso del

procedimiento descrito en la norma ASTM C496/C496M-11 (Standard Test Method for

Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens).

Este método, se caracteriza porque el especimen no recibe una carga de tensión

directamente, sino que aplica una fuerza diametral de compresión a lo largo del cilindro,

que induce fuerzas de tensión en el plano que contiene la carga aplicada. En vez de una falla

a compresión, se genera una falla a tensión porque las áreas donde se está aplicando la

43

carga están en un estado triaxial de compresión, lo que les permite resistir mucho más los

esfuerzos de compresión, que los producidos por un ensayo de compresión uniaxial (ASTM

- Amercican Society of Testing Materials, 2011). En seguida, se muestra el montaje

experimental para la realización de ensayo.

Ilustración 16. Montaje ensayo tracción indirecta

Este, está compuesto de dos barras metálicas que se utilizan para distribuir la carga

aplicada a lo largo de la longitud del cilindro. Para este ensayo, se necesita una máquina de

aplicación de carga, que al igual que en el ensayo a compresión, será la maquina universal

Forney (ver Ilustración 11).

Una vez puesto el montaje en la máquina junto con el cilindro de Raquis-Cemento,

solo queda verificar que esta esté funcionando de manera correcta y que sus sensores se

encuentren en cero (ASTM - American Society of Testing Materials, 2014). A diferencia del

ensayo de compresión, en este ensayo no es de interés obtener todos los datos registrados

para construir la gráfica de esfuerzo vs. deformación unitaria, debido a la manera en que se

logró que el espécimen sintiera un esfuerzo de tensión.

44

Ahora, una vez registrado el valor máximo de carga a tensión que experimentó el

espécimen de Raquis-Cemento durante el ensayo, se calcula el valor del esfuerzo máximo

a tensión como:

𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛(𝑃𝑎) =2 ∗ 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠)

𝜋 ∗ 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚) ∗ 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚)

Ecuación 18. Cálculo máximo esfuerzo a tensión

5.2.3. Caracterización acústica del compuesto

La caracterización acústica busca medir el aislamiento que puede brindar un material

como materia prima de particiones o sistemas constructivos (paredes, muros divisorios,

pisos y/o techos) a diferentes frecuencias sonoras (Cote, 2014). De acuerdo a la norma DIN

4109, el aislamiento acústico es “el aislamiento contra el aire, el impacto del sonido por

áreas ocupadas por usuarios, ruidos de sistemas de una construcción (por ejemplo tuberías

de agua), operaciones comerciales y ruido del exterior” (Giebeler, y otros, 2009). Entonces,

dada su importancia, surge la necesidad de darle un sentido cuantitativo a este parámetro

y de la misma manera la forma de medirlo o comprarlo.

Para medir esta propiedad, se hará uso del coeficiente “Transmission Loss”. El anterior

parámetro se define como el descenso acumulado de la intensidad acústica que

experimenta una onda al pasar a través de un material para llevar el sonido de un medio a

otro y sus unidades se encuentran en decibeles (Cote, 2014). Adicionalmente, la ecuación

que describe este comportamiento es la siguiente:

𝑇𝐿 = log (𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 1 (𝑒𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟) )

𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 2 (𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟))

Ecuación 19. Ecuación "Transmission Loss"

En la Ilustración 17 se muestra el montaje experimental utilizado para medir esta

propiedad en el Raquis-Cemento:

45

Ilustración 17. Montaje para medición de TL del Raquis-Cemento (Cote, 2014)

Los elementos que lo componen son los siguientes:

Generador/ Reproductor de audio: este, es un computador equipado con un

software de licencia gratuita, llamado Audicity, encargado de generar los tonos

puros que harán parte de las bandas de octava que se utilizarán en la prueba (Cote,

2014).

Amplificador de señal: es un equipo que permitirá que la señal del computador sea

reproducida, posteriormente, en el altavoz (Cote, 2014).

Nivel de presión sonora en emisor: en este punto, se mide la intensidad del sonido

generada por el emisor (altavoz), a través de un decibelímetro que se encarga de

medir a nivel global la intensidad en decibeles que se está sintiendo en ese lugar

(Cote, 2014).

Altavoz: este, junto a su caja de resonancia, permite reproducir los diferentes tonos

puros (frecuencias independientes), este recibe el nombre de emisor (Cote, 2014).

Material o sistema constructivo bajo prueba: allí, va situada la muestra de Raquis-

Cemento, que será probada durante el experimento. Este, es el medio de

propagación (junto al aire) que debe recorrer la onda sonora para poder llegar al

receptor (Cote, 2014).

46

Nivel de presión sonora en receptor: este, es el punto de recepción de la señal

acústica y al igual que en el nivel de presión acústica del emisor se mide el nivel de

presión sonora a través de un decibelímetro (Cote, 2014).

Con este montaje, se quiere comparar la perdida por transmisión acústica (Transmission

Loss), no solo de Raquis-Cemento, sino de materiales comúnmente usados para cielorrasos

y muros divisorios no estructurales, como el Drywall, determinando los valores de

aislamiento acústico por bandas de octava.

Una banda de octava, es un conjunto de dos frecuencias donde la más alta siempre

equivale al doble de la más baja y la diferencia que hay entre estas dos, siempre, es de una

octava (White, 2009). Se utiliza, frecuentemente, para realizar análisis de ruido acústico,

donde se pretende conocer el índice de molestias de un observador humano y, para este

caso, se usará para caracterizar el comportamiento del material en cada una de las

frecuencias de prueba.

Las bandas de octava a utilizar para la caracterización del material Raquis-Cemento se

muestran en la Tabla 5.

Tabla 5. Bandas de octava para la caracterización acústica del Raquis-Cemento

Para calcular el coeficiente “Transmission Loss”, es necesario obtener la respuesta

de intensidad en el emisor y el receptor para cada una de las frecuencias que están

presentes en las bandas de octava. A pesar de que, su comportamiento se ve explicado a

Frecuencia

(Hz)

Tipo de

Frecuencia

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Baja

Media

Alta

47

partir de la Ecuación 19 , dadas las condiciones del montaje experimental, la perdida por

transmisión acústica se puede calcular de la siguiente manera:

𝑇𝐿 = 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟 − 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑅𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟

Ecuación 20. Ecuacion "Transmission Loss" experimental

El anterior cálculo, se debe realizar para cada una de las frecuencias a las cuales se

expuso el material. Esto, ya que la gráfica de bandas de octava (Hz) vs. La perdida por

transmisión acústica (dB) permite obtener el espectro de ruido para el material.

Pese a que el “Transmission Loss” nos muestra el comportamiento detallado del

material, es necesario comparar su desempeño con otros materiales que sean utilizados

con frecuencia como materia prima para elementos no estructurales de edificaciones. Para

ello, existe un número que califica la efectividad de un material, o un conjunto de ellos,

para retardar la transmisión de sonido, llamado “Sound Transmission Class” o STC por sus

siglas en inglés, y puede ser calculado como el valor de la perdida por transmisión acústica

(Transmission Loss) de un material para una frecuencia de 500 Hz. Esta frecuencia, es

escogida, debido a que, el oído humano es capaz de percibir en mayor magnitud las

frecuencias bajas (Acoustical Surfaces, 2014). En la Tabla 6, se muestra la clasificación del

material de acuerdo a su STC y, de manera cualitativa, la cantidad de sonido que puede ser

percibida por parte del receptor.

Tabla 6. Clasificación del material de acuerdo a su STC

STC Clasificación

25Una conversación a volumen normal puede ser entendida

con claridad a través del material.

30Una conversación a volumen alto puede ser entendida bastante

bien a través del material.

35Una conversación a volumen alto puede ser escuchada pero no

entendida a través del material.

42Una conversación a volumen alto puede ser escuchada como un

murmullo a través del material.

50Una conversación a volumen alto no puede ser escuchada a través

del material.

48

Una vez conocido este valor, como se dijo anteriormente, es posible comparar en

términos acústicos la efectividad de los materiales y así poder hacer una evaluación más

objetiva acerca de la selección de materias primas para elementos no estructurales de una

edificación, ya que en la actualidad los requerimientos en lo que refiere este ítem son cada

vez más utilizados y más exigentes.

49

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

6.1. Caracterización del raquis de palma aceitera

6.1.1. Caracterización física de la fibra

6.1.1.1. Densidad aparente

Para encontrar esta característica de la fibra se hicieron 3 pruebas bajo las mismas

condiciones. Los valores reportados en laboratorio tanto del volumen del recipiente,

como del peso de fibra necesario para llenar este son los siguientes:

Tabla 7. Resultados densidad aparente fibra

Dada la densidad obtenida para las tres muestras, se puede decir que el raquis de palma

es una fibra es muy liviana y que ocupa bastante espacio, esto probablemente a la cantidad

de vacíos existentes en la fibra. Comparando los valores de densidad para las tres muestras,

se observa, en términos generales, que las densidades son bastante similares; sin embargo,

por la desviación estándar obtenida, se pudieron haber incurrido en errores a la hora de

realizar el ensayo, o también, dado que los arreglos de fibra son variables, se puede incurrir

en una incertidumbre alta a la hora de la medición de la propiedad.

6.1.1.2. Densidad de la fibra

Los parámetros tenidos en cuenta para realizar la mezcla de cemento, agua y raquis de

palma fueron los siguientes:

Muestra Peso

(kg)

Volumen

(m3)

Densidad Aparente

(kg/m3)

1 0,0951 0,000785 121,146

2 0,0952 0,000785 121,274

3 0,0949 0,000785 120,892

Promedio 0,095 0,000785 121,104

Desviacion estandar 0,000 0,000 0,195

50

Tabla 8. Parámetros tenidos en cuenta para el cálculo de la densidad de la fibra

De acuerdo de los valores anteriores, las cantidades de cemento, agua y fibra que

se utilizaron se presentan a continuación:

Tabla 9. Cantidades (en kg) de cemento, agua y fibra para determinación de densidad de la fibra

Realizando la combinación de estos, el volumen final obtenido de mezcla es de

0,0011 m3. Con las densidades del agua y del cemento, se calculan los volúmenes de estos,

y para hallar el volumen de la fibra, se utilizó la Ecuación 2. Los valores obtenidos de

volumen para estos tres componentes son:

Tabla 10. Valores de volumen de agua, cemento y fibra obtenidos para la determinación de la densidad de la fibra

Ya con los valores de peso y volumen de la fibra, de acuerdo a la Ecuación 3, la

densidad de la fibra del raquis es de 432 kg/m3. Comparando el valor de la densidad real

con el obtenido para la densidad aparente de la fibra, es evidente que en este arreglo, al no

tener vacíos, la densidad es más alta. Además, al calcular de esta manera la densidad de la

fibra, se está asegurando que el valor es el correcto para el cálculo del diseño de mezclas,

donde este parámetro, representa una de las variables más importantes para realizar este

procedimiento.

Parámetro Valor Unidad

Contenido de cemento 42 %*

Relación agua-cemento 0,3 -

*porcentaje en volumen del especimen

Parámetro Valor Unidad

Agua 0,44 kg

Cemento 1,45 kg

Fibra 0,09 kg

Parámetro Valor Unidad

Agua 0,00044 m3

Cemento 0,00046 m3

Fibra 0,00020 m3

51

6.1.1.3. Absorción de la fibra

Para la medición de esta propiedad, se realizaron tres pruebas con el fin de corroborar

que los datos hayan sido medidos de manera correcta. Debido a los requerimientos exigidos

en la ASTM, los valores de temperatura reportados a la hora de medir la absorción de la

fibra son los siguientes:

Tabla 11. Temperatura registrada para ensayo de absorción

Ahora, se muestran los pesos iniciales, los pesos después del ensayo y los porcentajes

de absorción de agua para cada una de las muestras:

Tabla 12. Resultados de absorción de agua de la fibra

De manera general, se puede observar que la muestra tiene una absorción de

aproximadamente un 200% de agua, lo que equivale a que la fibra puede absorber dos veces

más su peso seco en agua. Lo anterior, es una cifra significativamente alta de agua.

Si se comparan los resultados de las tres pruebas, la desviación estándar nos indica que

entre las muestras hubo una variación del 0,166%, sin embargo, es un porcentaje

demasiado pequeño en comparación al porcentaje de absorción total que tiene la fibra ,

por lo que se considera que el valor obtenido en este ensayo fue determinado de manera

correcta. Comparando la absorción de esta fibra con la presentada por el cáñamo, este

último es capaz de absorber hasta 3 veces su peso seco en agua (Arnaud & Gourlay, 2011),

MuestraTemperatura

(°C)

1 23,4

2 23,2

3 23,4

MuestraPeso

inicial (gr)

Peso

Final (g)

% de absorción

(en peso)

1 5,010 10,030 200,200%

2 5,000 10,010 200,200%

3 5,000 10,020 200,400%

Promedio 5,003 10,020 200,267%

Desviación estándar 0,006 0,010 0,116%

52

lo cual nos indica que el valor para el raquis de palma es semejante a los requerimientos

que tienen otras fibras.

6.1.2. Caracterización química de la fibra

6.1.2.1. Contenido de Lignina

Para determinar el contenido de lignina presente en el raquis, se realizó el proceso

consignado en la sección de metodologías para dos muestras de raquis de palma. Los

valores reportados de lignina, así como, su correspondiente porcentaje sobre el peso inicial

de la fibra, son los siguientes:

Tabla 13. Resultados contenido de lignina del raquis de palma

Revisando los valores obtenidos para cada una de las muestras, estos son bastante

precisos al ser muy parecidos y tener unas desviaciones estándar ser tan pequeñas, sin

embargo, comparando estos también un valor del 12%, el cual representa el porcentaje

teórico de contenido de lignina que presenta la fibra (Moreno, 2014), es posible identificar

que hubo error en la medición experimental de este número. Lo anterior, debido a que

probablemente la eliminación tanto de las grasas como de la celulosa no se realizó de

manera correcta, lo que pudo al final aportar más peso a las muestra y en consecuencia,

aumentar el peso final de lignina. Adicionalmente, el proceso no se realizó todo en una sola

sesión, dejando la fibra expuesta a humedad, u otros componentes ambientales que

pudieron influir en el peso final de la muestra, llevándonos a realizar un cálculo erróneo

acerca del contenido de lignina.

Muestra 1 Muestra 2 PromedioDesviación

Estándar

Peso inicial fibra (gr) 0,9891 1,0018 0,9955 0,0090

Peso final lignina (gr) 0,2017 0,2184 0,2101 0,0118

% de lignina 20,39% 21,80% 21,10% 1,00%

53

6.1.2.2. Contenido de Celulosa y Hemicelulosa

Para calcular el contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma, se hizo uso de la

siguiente expresión:

%𝐴𝑙𝑓𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 100 − (6,85 (𝑉1 − 𝑉2) ∗ 𝑁 ∗ 20

𝐴 ∗ 𝑊)

Ecuación 21. Cálculo alfa-celulosa

Donde,

V1 = Volumen de la titulación de la fibra, en mililitros

V2 =Volumen de la titulación del blanco, en mililitros

N = La normalidad de la solución de sulfato ferroso amoniacal

A = Volumen de la fibra filtrada usada en la oxidación, en mililitros

W = El peso de la fibra después de su secado en horno, en gramos

Los valores mencionados anteriormente, y que fueron medidos en el laboratorio

corresponden a:

Tabla 14. Valores de parámetros para obtener el contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma

Con estos valores, el contenido de alfa-celulosa del raquis de palma para las dos

muestras son:

Valor Muestra 1 Muestra 2 Unidad

Volumen de la titulación

de la fibra 50 51,1 ml

Volumen de la titulación

del blanco47 47 ml

Normalidad de la solución de

sulfato ferroso amoniacal0,1 0,1 N

Volumen de la fibra filtrada

usada en la oxidación135 135 ml

El peso de la fibra después

de su secado en horno1,5092 1,5008 gr

54

Tabla 15. Resultados del contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma

Ahora, para determinar el contenido de gamma-celulosa que contiene el raquis de

palma, se hace uso de la siguiente expresión:

% 𝐺𝑎𝑚𝑚𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 =6,85 (𝑉4 − 𝑉3) ∗ 𝑁 ∗ 20

25 ∗ 𝑊

Ecuación 22. Cálculo gamma-celulosa

Donde,

V3 = Volumen de la titulación de la solución después de la precipitación de la beta-

celulosa, en mililitros

V4 = Volumen de la titulación del blanco, en mililitros

Los valores que obtuvieron estos parámetros en el laboratorio son:

Tabla 16. Valores de parámetros para obtener el contenido de gamma-celulosa en el raquis de palma

A partir de los datos anteriores, el contenido que tiene el raquis de palma de gamma-

celulosa es:

% de alfa-celulosa

Muestra 1 20,17%

Muestra 2 27,56%

Promedio 23,87%

Desviación Estándar 5,22%

Valor Muestra 1 Muestra 2 Unidad

Volumen de la titulación

de la solución después

de la precipitación de la

beta-celulosa

36,7 35,8 ml

Volumen de la titulación

del blanco30 30 ml

55

Tabla 17.Porcentaje de gamma-celulosa en el raquis de palma

Teniendo ya los porcentajes de alfa-celulosa y gamma celulosa, se puede calcular el

porcentaje de beta-celulosa como:

% 𝑏𝑒𝑡𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 100% − (% 𝑎𝑙𝑓𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 + % 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎)

Ecuación 23. Cálculo beta-celulosa

Finalmente, los valores de alfa-, beta-, y gamma- celulosa para las dos muestras de

raquis de palma son:

Tabla 18. Valores de alfa-, beta-, y gamma-celulosa

Globalmente, los resultados de la celulosa y hemicelulosa tienen valores de

desviación estándar altos. Lo anterior, debido a que durante los procesos de oxidación, la

solución experimentaba temperaturas demasiado altas, lo que podía afectar el valor de las

titulaciones, al no realizarse estas a una temperatura ambiente. Adicionalmente, durante

los procesos de filtración de la solución, se usó papel filtro ordinario, lo que pudo elevar los

contenidos de celulosa, al ser esta la materia prima principal de este papel. Comparando

los contenidos de celulosa obtenidos en este proyecto, con otros valores reportados en la

literatura, se observan diferencias importantes. Esto, ya que, típicamente, los contenidos

de celulosa se encuentran aproximadamente en un 66% (Moreno, 2014) y para nuestro

caso, estos sobrepasan el 95%, lo cual, pudo ser un error inducido por el tipo de materiales

usados para este procedimiento.

Hemicelulosa

Alfa-celulosa Beta-celulosa Gamma-celulosa

Muestra 1 20,17% 77,39% 2,43%

Muestra 2 27,56% 70,32% 2,12%

Promedio 23,87% 73,86% 2,28%

Desviación Estándar 5,22% 5,00% 0,22%

Celulosa

56

En conclusión, se puede decir que los contenidos de celulosa fueron elevados para

el raquis, en este caso específico, debido a las materias primas y materiales utilizados en el

proceso. Por ello, se hace necesario profundizar en la determinación de este contenido ya

que, probablemente, los valores obtenidos en este trabajo no fueron medidos de manera

correcta

6.2. Caracterización del Raquis-Cemento

6.2.1. Caracterización física del compuesto

6.2.1.1. Densidad del compuesto

La densidad del compuesto Raquis-Cemento se realizó con base a los especímenes

fundidos para los ensayos mecánicos que se realizarán en incisos posteriores. En total

fueron 24 cilindros con unas dimensiones de 10 centímetros de diámetro y 20 centímetros

de alto, y un volumen de 0, 0015708 m3. 12 de estos cilindros tenían un contenido de

cemento (en volumen) del 35% y los otros 12 restantes un contenido de 45%.

Los valores de peso y densidad reportados para los especímenes que contienen un 35%

de cemento son los siguientes:

Tabla 19. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 35% de cemento

Cilindro Peso(kg) Densidad(kg/m3)

1 2,2360 1423,4818

2 2,2310 1420,2987

3 2,1910 1394,8339

4 2,1740 1384,0114

5 2,2080 1405,6565

6 2,2330 1421,5720

7 2,1367 1360,2655

8 2,1898 1394,0700

9 2,2173 1411,5770

10 2,2202 1413,4232

11 2,1940 1396,7438

12 2,2291 1419,0891

Promedio 2,2050 1403,7519

Desviación Estándar 0,0295 18,7747

57

Tabla 20. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 45% de cemento

Revisando los resultados para los especímenes de 35% de cemento, encontramos una

densidad promedio cercana a los 1400 kg/m3, mientras que para los especímenes de 45%

de cemento, su densidad promedio se encuentra superior a los 1830 kg/m3. Esto se debe a

que el cemento posee una densidad mucho más alta que la del raquis de palma (3150

kg/m3), por ello, a más cantidad de cemento, mayor densidad presentará el espécimen. Si

se comparan estos valores con las densidades típicas del Hemprete (un rango de 200 a 600

kg/m3) los valores obtenidos para el Raquis-Cemento son bastante superiores, por lo que

en términos de densidad, a pesar de tener una densidad mucho menor a la del concreto,

no tiene un valor lo suficientemente bajo para estar hecho de fibras vegetales.

En lo que refiere la variabilidad presentada por los dos tipos de mezclas, esta se le

atribuye a que al hacer la mezcla, el raquis es asignado de manera aleatoria y entre todos

los cilindros, por lo que no es posible cuantificar y con exactitud no solo su cantidad de

raquis, sino también los arreglos internos que esta fibra puede tener a lo largo del material,

lo que directamente afecta el valor de densidad.

Cilindro Peso(kg) Densidad(kg/m3)

1 2,8950 1843,0142

2 2,8840 1836,0114

3 2,8800 1833,4649

4 2,9190 1858,2931

5 2,9100 1852,5635

6 2,9120 1853,8368

7 2,8575 1819,1410

8 2,8801 1833,5286

9 2,8911 1840,5314

10 2,8845 1836,3297

11 2,8838 1835,8841

12 2,8712 1827,8627

Promedio 2,8890 1839,2051

Desviación Estándar 0,0177 11,2777

58

6.2.2. Caracterización mecánica del compuesto

6.2.2.1. Diseño de mezclas

Los parámetros de entrada para realizar el diseño de mezclas se muestran en la Tabla

21:

Tabla 21. Parámetros tenidos en cuenta para la realización del diseño de mezclas del Raquis-Cemento

Siguiendo los pasos presentados en la sección de metodologías, los diseños finales para

las mezclas de 35% y 45% de cemento, se muestran a continuación:

Tabla 22. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento

Tabla 23. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento

Las anteriores proporciones están calculadas únicamente para fabricar un especimen

de Raquis-Cemento de 10 centímetros de diámetro por 20 centímetros de alto, y como se

desean fabricar 24 muestras (12 de 35% de cemento y 12 de 45% de cemento), las

cantidades necesarias para ello son las siguientes:

Parámetro Valor Unidades

Contenido de cemento 35% y 45% (en volumen) -

Relación agua-cemento (A/C) 0,3 -

Densidad Fibra 432 kg/m3

Densidad Cemento 3150 kg/m3

Densidad Agua 1000 kg/m3

Absorción de agua por parte de la fibra 200% (en peso) -

Tamaño de fibra 5 a 10 mm

Volumen especímenes 0,0015708 m3

Fibra

Cemento

Cemento Agua Fibra Agua Fibra

% (en volumen) 35% 33% 32% 28%

m3 0,00055 0,00052 0,00050 0,00043

kg 1,73 0,52 0,22 0,43

5-10 mm

35%Diseño 1

Fibra

cemento

Cemento Agua Fibra Agua Fibra

% 45% 43% 12% 11%

m3 0,00071 0,00067 0,00020 0,00017

kg 2,23 0,67 0,08 0,17

Diseño 25-10 mm

45%

59

Tabla 24. Cantidades necesarias para fabricar los especímenes de Raquis-Cemento

Las muestras de Raquis-Cemento ya fabricadas tienen el siguiente aspecto

6.2.2.2. Ensayo de compresión

Las curvas esfuerzo deformación obtenidas para los especímenes de Raquis-Cemento

de 35% y 45% de cemento (para tiempos de curado de 28 y 42 dias) son las siguientes:

El Raquis-Cemento con un porcentaje de cemento de 35%, tiene un claro comportamiento

elasto-plástico donde se puede evidenciar tres fases: un comportamiento elástico lineal, un

punto de fluencia y finalmente un endurecimiento por deformación hasta alcanzar la falla.

Mezcla CilindrosCemento

(kg)

Agua

(kg)

Fibra

(kg)

Agua Fibra

(kg)

Diseño 1 12 20,78 6,23 2,60 5,20

Diseño 2 12 26,72 8,02 1,02 2,03

Ilustración 18. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 35% de cemento

60

Ilustración 19. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 45% de cemento

Por otro lado, el Raquis-Cemento de 45% de cemento, tiene un comportamiento frágil,

donde solo es capaz de recibir carga en su rango elástico lineal, para finalmente fallar por

aplastamiento.

A pesar de que solo vario la proporción de cemento en cada una de las mezclas, los

comportamientos obtenidos para cada uno de los materiales son bastante diferentes y

como es de esperarse, a una mayor cantidad de cemento, mayor resistencia va a tener la

muestra.

La forma de falla de las dos mezclas de Raquis-Cemento, se muestra en las siguientes

imágenes:

61

Ilustración 20. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento

Ilustración 21. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento

Ahora, se procede a calcular los valores de: resistencia última, módulo de elasticidad,

límite de fluencia y ductilidad.

62

Resistencia ultima

La resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento de 35% y 45% de

cemento, se muestran a continuación:

Tabla 25. Resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento

Observando el desempeño de los dos materiales, es evidente que el Raquis-

Cemento de 45% de cemento es capaz de resistir cargas en mayor proporción, esto debido

a que la cantidad de cemento es bastante superior a la del Raquis-Cemento de 35% de

cemento. También, se puede observar que a mayor resistencia alcanzada por el material,

mayor incertidumbre acerca de su esfuerzo último, esto se debe probablemente a que si

hay una menor cantidad de fibra, esta no estará distribuida uniformemente a lo largo del

material. El Raquis-Cemento, en lo que refiere a resistencia a la compresión, es mucho

mejor que el Hempcrete (solo alcanza resistencias ultimas de máximo 1 MPa), pero cabe

aclarar que estas diferencias, como se dijo anteriormente, solo radican en la variación de

las proporciones de cemento que haya entre las muestras.

Módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad obtenido para cada una de las muestras de Raquis-Cemento, es la

siguiente:

Muestras

Resistencia última a la compresion

Raquis-Cemento 35% de cemento

(MPa)

Resistencia última a la compresion

Raquis-Cemento 45% de cemento

(MPa)

1 (28 días) 3,19 19,15

2 (28 días) 3,15 18,18

3 (28 días) 2,55 17,58

4 (42 días) 3,35 14,47

5 (42 días) 3,43 16,00

6 (42 días) 3,43 16,57

Promedio 3,19 16,99

Desviación estándar 0,34 1,67

63

Tabla 26.Módulo de elasticidad para muestras de Raquis-Cemento

Al igual que en la resistencia ultima a la compresión, los valores del módulo de

elasticidad son mayores para el Raquis-Cemento de 45% de cemento, que para los de 35%.

Del mismo modo, las variaciones del módulo de elasticidad son más altas, entre más

proporción de cemento tenga, esto, debido a la distribución no homogénea de la fibra a lo

largo de la matriz de cemento.

Límite de fluencia

Los límites de fluencia para cada una de las muestras de Raquis-Cemento son:

A pesar de la gran variabilidad que ha habido en lo que refiere a resistencia a la

compresión y al módulo de elasticidad, es Raquis-Cemento presenta unos límites de

fluencia bastante marcados, con un poco variabilidad entre las muestras. Se puede observar

que a mayor tiempo de curado, mayor estabilidad presenta el límite de fluencia.

Muestras

Módulo de elasticidad

Raquis-Cemento 35% de cemento

(MPa)

Módulo de elasticidad

Raquis-Cemento 45% de cemento

(MPa)

1 (28 días) 410,72 2033,75

2 (28 días) 311,55 2340,55

3 (28 días) 395,28 2331,26

4 (42 días) 335,65 1852,81

5 (42 días) 142,46 1391,72

6 (42 días) 320,52 2600,57

Promedio 319,36 2091,78

Desviación estándar 95,64 430,97

Muestras

Limite de Fluencia

Raquis-Cemento 35% de cemento

(MPa)

Limite de Fluencia

Raquis-Cemento 45% de cemento

(MPa)

1 (28 días) 2,46 18,46

2 (28 días) 2,50 16,84

3 (28 días) 1,49 16,84

4 (42 días) 2,06 14,34

5 (42 días) 1,97 15,87

6 (42 días) 1,97 16,44

Promedio 2,08 16,47

Desviación estándar 0,37 1,35

64

Ductilidad

Finalmente, la ductilidad que hay entre las diferentes mezclas de Raquis-Cemento, a

diferencia de las otras propiedades, no depende de la cantidad de cemento, por el

contrario, a mayor cantidad de fibra, el material presenta una mayor ductilidad. Para el

Raquis-Cemento de 45% de cemento, este valor se encuentra a una deformación unitaria

de 0,04, mientras que para el Raquis-Cemento de 35% de cemento, la ductilidad alcanza

valores de deformación unitaria superiores a 0,07

6.2.2.3. Ensayo de tensión

Ya que para este ensayo solo nos interesa reportar los valores de máxima carga, a

continuación, se muestran los números correspondientes a la máxima carga a tensión y su

respectivo esfuerzo:

Tabla 27. Resultados máximo esfuerzo a tensión del Raquis-Cemento

La resistencia de las muestras a tensión del Raquis-Cemento evidencia un

comportamiento contrario al visto en los ensayos a compresión. Aquí, a menor fibra, menor

es la resistencia a tensión de la muestra; para el caso del Raquis-Cemento de 35% de

cemento, la resistencia a tensión equivale aproximadamente al 25% de la resistencia a la

compresión del elemento, mientras que para el Raquis-Cemento de 45% de cemento, la

resistencia a compresión, equivale al 10% de la resistencia a compresión, un valor muy

parecido a la resistencia de cemento. Una posible explicación a este fenómeno, es que las

fibras vegetales actúan como un refuerzo a nivel micro del especimen, lo que le permite

Muestras

Carga máxima a tensión

Raquis-Cemento

35% de cemento

(MN)

Esfuerzo máximo a tensión

Raquis-Cemento

35% de cemento

(MPa)

Carga máxima a tensión

Raquis-Cemento

45% de cemento

(MN)

Esfuerzo máximo a tensión

Raquis-Cemento

45% de cemento

(MPa)

1 (28 días) 0,0238 0,76 0,0651 2,07

2 (28 días) 0,0235 0,75 0,0673 2,14

3 (28 días) 0,0219 0,70 0,0711 2,26

4 (42 días) 0,0225 0,72 0,0635 2,02

5 (42 días) 0,0232 0,74 0,0632 2,01

6 (42 días) 0,0254 0,81 0,0632 2,01

Promedio 0,0234 0,7442 0,0655 2,0860

Desviación

estándar0,0012 0,0382 0,0032 0,1004

65

oponer resistencia a las cargas de tensión que se le estén aplicando; además, ya que las

fibras se encuentran dispuestas en todas las direcciones, es más fácil atacar las fallas que

aparecen no solo en el plano de aplicación de carga, sino también las que aparecen en otras

planos.

La forma de falla de los cilindros que se probaron a tensión se muestra en las

imágenes a continuación:

Ilustración 22. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento a tensión

Ilustración 23. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento a tensión

66

6.2.3. Caracterización acústica del compuesto

Con el fin de poder comparar el desempeño del Raquis-Cemento con otros materiales,

el coeficiente “Transmission Loss” fue medido, tanto para el Raquis-Cemento de 35% y 45%

de cemento, como el Drywall.

Las dimensiones que tenían las muestras de cada material, se muestran en la Tabla 28.

Tabla 28. Dimensiones de muestras para ensayo de aislamiento acústico

Las muestras fabricadas se muestran a continuación:

Ilustración 24. Muestras de Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall

Una vez con ellas, se procede a realizar el ensayo descrito en la página 44

(Metodología Caracterización Acústica) para poder calcular los valores del coeficiente

“Transmission Loss” y así obtener el espectro de ruido y el STC de cada uno de los materiales

a probar.

Muestra Alto (cm) Ancho (cm) Espesor (cm)

Raquis-Cemento (35% de cemento) 20 20 2

Raquis-Cemento (45% de cemento) 20 20 2

Drywall 20 20 1,3

67

Ilustración 25. Montaje experimental para caracterización acústica del Raquis-Cemento

El valor de intensidad de ruido de fondo (del ambiente) obtenido a la hora de

realización del ensayo, que nos servirá como valor de referencia para comparar los niveles

de presión sonora en el emisor y el receptor, fue el siguiente:

𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 65,9 𝑑𝐵

Los resultados obtenidos de los niveles de presión sonora, tanto en el emisor, como

en el receptor y el TL (ver Ecuación 19) para cada frecuencia, son los siguientes:

Tabla 29. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-Cemento (35% de cemento)

Frecuencia

(Hz)

Frecuencia

Emisor (dB)

Frecuencia

Emisor (dB)

Transmission

Loss (dB)

125 115,4 106,2 9,2

250 118,1 101,5 16,6

500 114,8 92 22,8

1000 97,4 74 23,4

2000 110,2 88,6 21,6

4000 113,4 79,8 33,6

8000 98,9 67 31,9

Raquis-Cemento (35% de cemento)

68

Tabla 30. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-Cemento (45% de cemento)

Tabla 31. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Drywall

Con los valores de “Transmission Loss” para cada frecuencia, es posible construir el

espectro del ruido para cada material.

Frecuencia

(Hz)

Frecuencia

Emisor (dB)

Frecuencia

Emisor (dB)

Transmission

Loss (dB)

125 114,5 107,7 6,8

250 117,6 99,5 18,1

500 114,1 90 24,1

1000 97,2 73,6 23,6

2000 108,9 86,1 22,8

4000 112,5 80,6 31,9

8000 98,2 70 28,2

Raquis-Cemento (45% de cemento)

Frecuencia

(Hz)

Frecuencia

Emisor (dB)

Frecuencia

Emisor (dB)

Transmission

Loss (dB)

125 112,2 104,9 7,3

250 119,1 107 12,1

500 115,5 95 20,5

1000 95,8 76,5 19,3

2000 113,7 89,4 24,3

4000 107 76,9 30,1

8000 99,4 69,5 29,9

Drywall

69

Con el espectro de ruido de los tres materiales , es posible tener una idea general de

comportamiento de cada uno de ellos, y así mismo, observar la cantidad de sonido (en dB)

que cada material deja pasar en cada una de las frecuencias de prueba.

De acuerdo con los resultados obtenidos, en términos generales, se puede observar

que el desempeño acústico obtenido por el Raquis-Cemento es mejor que el obtenido para

el Drywall, pero este, no es significativamente alto en ninguna de las frecuencias a las cuales

se probaron. Además, cada uno de los materiales presenta un incremento es su nivel de TL,

consiguiendo su valor más alto a una frecuencia de 4000 Hz, pero para frecuencias mayores

(8000 Hz) este valor empieza a decrecer. La tendencia de los tres espectros es similar, sin

embargo, para los tres materiales se observan puntos por debajo de la tendencia, llamados

también frecuencias críticas (ver Tabla 32), donde el aislamiento es inferior al presentado

para frecuencias más bajas.

Ilustración 26. Espectro de ruido para cada material

70

Tabla 32. Frecuencias Críticas para el Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall

Ahora, para poder comparar de manera estándar los valores obtenidos para estos

tres materiales, es necesario determinar el STC de cada uno de ellos.

Tabla 33. Valores de STC para Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall.

Inicialmente, revisando los valores de estos tres materiales, se observa un resultado

similar al visto con el espectro de ruido: el Raquis-Cemento tiene un desempeño acústico

levemente superior al Drywall; pero teniendo en cuenta, que para esta prueba el espesor

de la muestra Drywall era significativamente menor a las muestras de Raquis-Cemento, se

podría decir que el comportamiento de los tres materiales es bastante similar.

Enfocándonos ahora, únicamente, en las muestras de Raquis-Cemento, se puede ver que a

mayor porcentaje de cemento se tiene un aislamiento superior, lo que nos puede indicar

que el componente que está impidiendo el paso de sonido, no son las fibras de raquis de

palma, sino el cemento hidráulico que hace parte del material.

Cualitativamente, y de acuerdo a la Tabla 6, es notorio que el aislamiento brindado,

tanto por el Raquis-Cemento, como por el Drywall no son buenos al permitir que una

conversación a tono normal sea escuchado con facilidad a través del material, pero

teniendo en cuenta que la capacidad de aislar sonido tiene una dependencia directa con el

espesor del material o sistema constructivo, se puede concluir que el Raquis-Cemento sería

más efectivo, siendo usado como materia prima para construcción de muros no

estructurales macizos, que siendo utilizado como recubrimiento de otros materiales de

construcción utilizados típicamente para estos fines.

Muestra Frecuencia Crítica (Hz)

Raquis-Cemento (35% de cemento) 2000

Raquis-Cemento (45% de cemento) 2000

Drywall 1000

Muestra STC (dB)

Raquis-Cemento (35% de cemento) 22,8

Raquis-Cemento (45% de cemento) 24,1

Drywall 20,5

71

7. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos de la caracterización química de la fibra, no son

concluyentes debido que presenta altas diferencias con respecto a los valores

reportados de celulosa y hemicelulosa en la literatura.

Las propiedades físicas de las fibras vegetales dependen directamente del

contenido de vacios que estas presenten.

Las fibras vegetales absorben altas cantidades de agua, lo que resulta en

mayores requerimientos de agua cuando se quieren juntar estas con

compuestos cementantes.

La cantidad óptima de cemento, que permita la adherencia con las fibras puede

ser más baja, si la fibra es tratada previamente (deslignificada).

Para diseños de mezclas en los que se estén utilizando fibras vegetales, es de

vital importancia conocer sus propiedades físicas y químicas, con el fin de evitar

que los requerimientos impuestos por ellas, no afecten de manera significativa

el desarrollo de las propiedades aglutinantes del cemento.

El diseño de mezclas realizado para el Raquis-Cemento resulta poco viable, ya

que el alto contenido de cemento hace que el material tenga un alto costo.

Las propiedades físicas del Raquis-Cemento están estrechamente ligadas a su

contenido de cemento. Entre más cemento se tenga en el material, mayor será

la densidad de este.

La resistencia a la compresión, se ve afectada de manera negativa por la

presencia de fibras vegetales en un material de matriz cementante.

La resistencia a la tensión del Raquis-Cemento se vio mejorada por el uso de

fibras vegetales, debido a que actúan como pequeños refuerzos, impidiendo la

falla del material.

Gracias a la presencia de raquis de palma africana en el cemento, la ductilidad

de este mejoro notablemente, en comparación a otros materiales como el

concreto.

72

El aislamiento acústico de un material o sistema constructivo depende del

espesor que este tenga, a mayor espesor, más cantidad de sonido puede aislar.

En comparación con el Hempcrete, el Raquis-Cemento tiene propiedades

superiores en lo que refiere a propiedades mecánicas y aislamiento acústico, sin

embargo, dada las grandes cantidades de cemento que hay que utilizar para su

fabricación, lo hace un material mucho más costoso.

Es viable utilizar el material Raquis-Cemento como materia prima para muros

divisorios o elementos no estructurales de una edificación

73

8. BIBLIOGRAFÍA

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77

9. ANEXOS

Anexo 1

Ilustración 27. Subproductos generados durante el proceso de producción de aceite de palma (Moreno, 2014)

78

Anexo 2

Ilustración 28. Áreas cultivadas de Palma Aceitera para los años 1997 (arriba) y 2007 (abajo) (Fedepalma , 2014)

79

Anexo 3

Ilustración 29. Procedimiento para determinación de lignina Parte 1 (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013)

Anexo 4

80

Ilustración 30. Procedimiento para determinación de lignina Parte 2 (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013)

Anexo 5

81

Ilustración 31. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 1 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993)

Anexo 6

82

Ilustración 32. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 2 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993)

Anexo 7

83

Ilustración 33. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 3 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993)